O objetivo principal na modelagem da operação de usinagem é desenvolver uma capacidade de previsão de desempenho para usinagem, a fim de facilitar um planejamento eficaz para atingir a máxima produtividade, qualidade e custo (VAN LUTTERVELT et al., 1998). Com relação ao nível de processos de usinagem, os critérios de otimização mais comumente utilizados são a taxa de remoção de material, rugosidade superficial, força de corte, vida de ferramenta e potência consumida (GOPARSAMY et al., 2009).
No entanto, a otimização de um único fator tem um valor limitado para uma condição de corte ótima em um ambiente onde objetos diferentes e contraditórios devem ser atingidos simultaneamente. Na verdade, muitas vezes a melhora de um fator de usinagem só é possível com a piora de outros, levando ao desenvolvimento de modelos multiobjetivos, como o apresentado por Yan e Li (2013), na Figura 17.
Figura 17 – Quadro para otimização multi-objetivo de processos de usinagem (adaptado de YAN e LI, 2013).
De acordo com o modelo da Figura 17, pode ser observado que para um processo de usinagem ser considerado sustentável, o mesmo deve se preocupar na otimização da taxa de produção, o que impacta diretamente no custo de uma peça, mas também com a qualidade, que pode trazer custos extras de produção (como refugos) e também de pós-produção (como peças
de baixo rendimento na fase de uso), sem negligenciar os fatores ambientais (como o consumo de energia. Um parâmetro de corte que mostra bem essa problemática é a velocidade de avanço, uma vez que seu aumento gera redução no tempo de produção de uma peça, mas também piora na rugosidade superficial da mesma, como discutido por Diniz, Marcondes e Coppini (2010).
Com relação ao processo, percebe-se um grande esforço feito em termos de otimização e eficiência de recursos. Xianchun et al. (2006) desenvolveram um método para melhorar a rota de processos de empresas em termos de fabricação sustentável que, a partir de informações prévias do processo em questão, modifica as informações do processo e, se necessário, seleciona um fluxo de processo para as melhores características de desenvolvimento sustentável (Figura 18).
Figura 18 – Rota para melhorar os processos de empresas em termos de fabricação sustentável (XIANCHUN
et al., 2006).
De acordo com o modelo apresentado na Figura 18, a melhoria de um processo em termos de desenvolvimento sustentável deve passar pelas seguintes etapas: seleção de fatores de processo (técnica, máquina, etc), otimização do processo (redução do consumo de energia, nível de ruído, etc) e avaliação de desenvolvimento sustentável (em termos de consumo de energia e materiais, impactos ambientais, etc), tudo isso para todos os processos envolvidos na rota de usinagem.
No entanto, conforme os processos de usinagem começam a se preocupar em sua aplicação com os princípios de sustentabilidade, medições precisam ser definidas, a fim de determinar o nível de sustentabilidade relativo. Pusavec et al. (2010) avaliaram e compararam
diferentes estratégias, levando em consideração diversos parâmetros econômicos, sociais e ambientais, concluindo que, embora o custo inicial e esforços envolvidos com alternativas sustentáveis de usinagem serem maiores (neste caso, comparando usinagem com fluido em abundância, com crio-usinagem e usinagem assistida por jato de alta pressão), eles podem oferecer benefícios de sustentabilidade significativa como ciclos de produção mais curtos e menor custo necessário pós fabricação.
Um outro modelo híbrido, proposto por Zhi-Gang, Hua e Ming (2008), apresenta uma análise de entradas e saídas para uma operação de usinagem, popularizada pela primeira vez por Wassily Leontief, Prêmio Nobel em 1973 (FINNVEDEN, 2009). Nesse modelo, Zhi-Gang, Hua e Ming (2008) agregam o consumo de recursos no nível de processo aos impactos ambientais, de modo a formar um modelo combinado que permite a identificação de oportunidades de redução de impactos ambientais por meio de análise de consumo de recursos. A estrutura esquemática representativa está mostrada na Figura 19.
Figura 19 – Modelo de Entrada-Processo-Saída para processos de usinagem (adaptado de ZHI-GANG, HUA e MING, 2008 e DEIF, 2011).
Deif (2011) salienta ainda que diversos desperdícios podem ser reduzidos, controlados, eliminados, ou ainda prevenidos, ganhando em importância do primeiro ao último, o que tende a tornar o processo ecologicamente e também financeiramente eficiente, já que produzir o mesmo produto com menos recursos é uma excelente estratégia para se fazer dinheiro, além de se trazer geralmente como consequência também um ganho em qualidade e também de marketing.
Os autores Zhi-Gang, Hua e Ming (2008), desenvolveram também a Equação 1 para o modelo apresentado na Figura 17, onde X são as entradas, I é a matriz identidade, A são as substâncias que não sofrem mudança após o processo, B são as novas substâncias formadas e Y as saídas.
= − (1)
Apesar de ser um método muito interessante para identificar os elementos envolvidos num processo de usinagem, observa-se que esse tipo de modelo carece de significância dos resultados, uma vez que, tal como sugerido por Capra (2009), para uma análise sistêmica completa, além das três perspectivas de análise convencional (material, processo e forma)] é necessário considerar também uma quarta dimensão, a do significado (associada com valores humanos).
Quantificando em termos de sustentabilidade os resultados que poderiam ser obtidos, por exemplo, por um modelo de entradas e saídas, um modelo híbrido foi adaptado à ideia mostrada na Figura 11 no nível do processo de usinagem. Nesse modelo, mostrado na Figura 20, os autores (WANIGARATHNE et al. (2004) apud JAYAL et al. (2010) levam em consideração para o ranqueamento fatores econômicos (custo de usinagem), ambientais (impactos ambientais, consumo de energia e gestão de resíduos) e sociais (segurança operacional e saúde pessoal).
Figura 20 – Sistema de ranqueamento de sustentabilidade dos seis elementos (WANIGARATHNE
et al. (2004) apud JAYAL et al. (2010).
Granados, Jawahir e Fernandez (2009) desenvolveram ainda, como uma primeira aproximação, a pontuação geral de sustentabilidade para um processo de usinagem, construída como uma função combinada deterministica (custo de usinagem, gestão de resíduos e consumo de energia) e não-determinística (impacto ambiental, segurança no trabalho, saúde pessoal) de elementos de sustentabilidade. A Equação 2 apresenta esse modelo.
S = CSHE.SSHE + Cop.Sop (2)
Nessa equação, SSHE representa o índice de sustentabilidade para segurança, saúde e meio
ambiente, Sop representa a sustentabilidade operacional do processo baseada no custo de usinagem,
consumo de energia e gerenciamento de resíduos, e CSHE e Cop são fatores de ponderação relevantes.
O que representa um desafio nesse modelo é que, enquanto o segundo grupo pode ser modelado utilizando técnicas analíticas e numéricas em razão de sua natureza relativamente
deterministica, o primeiro grupo requer meios não-deterministas, tais como a lógica fuzzy (JAWAHIR e JAYAL, 2011).
Pelo ponto de vista de tecnologias de produção, Pusavec, Krajnik e Kopac (2010) apontam como formas de melhorar o desempenho de sustentabilidade, reduzir o consumo de energia de processos de usinagem, minimizar o desperdício (gerar menos resíduos e aumentar a reutilização ou reciclagem de resíduos), utilizar os recursos de forma eficiente, utilizar materiais recicláveis ou reutilização de componentes de máquinas-ferramentas, melhorar a gestão dos fluidos, cavacos, óleos lubrificantes e óleos hidráulicos (melhorando a performance ambiental, de saúde e de segurança), e adotar métodos de avaliação do ciclo de vida.
Sendo assim, conforme a literatura pode sugerir, diversos modelos já se encontram disponíveis para serem aplicados para quantificação de processos de usinagem, para se otimizar um ou mais fatores. No entanto, ainda não se verifica uma padronização quanto a pesos e ponderações das análises, o que se acredita ser possível atingir aplicando ferramentas de avaliação de ciclos de vida, já disponíveis, porém mais utilizadas ao nível de produtos, também ao nível de processos.